JP2007324244A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子をパッケージ内に搭載し蓋部材によって気密封止した構造の半導体装置の放熱特性および吸湿特性を向上し、高品質、高信頼性を実現する。
【解決手段】パッケージ１の材料よりも熱伝導率が高い高熱伝導部１１を半導体素子３に接するようにパッケージ１を貫通して設け、高熱伝導部１１に接続する放熱板１０をパッケージ１の外面に設ける。半導体素子３の熱を高熱伝導部１１を通じて効率よく放熱板１０に伝え、放熱板１０から直接に周囲環境に逃がすことができるので、放熱特性に優れることとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体装置に関し、特に半導体素子を凹型構造のパッケージ内に搭載し蓋部材によって気密封止した半導体装置に関する。

従来の半導体装置に、半導体素子を凹型構造のパッケージ内に搭載し蓋部材によって気密封止したものがある。
たとえば図３（ａ）（ｂ）に示す固体撮像装置では、凹状のパッケージ１の基底部２に半導体素子３が接着剤４によって固定され、半導体素子３の電極パッド部（図示せず）とパッケージ１に設けられた内部配線などの導体５とが金或いはアルミニウムなどのワイヤー６で電気的に接続され、パッケージ１上面に光学ガラス等の透明な蓋部材７が接着剤８により接着されていて、半導体素子３は、パッケージ１と蓋部材７とで構成された容器内に気密封止され、蓋部材７を通る光路が確保され、導体５の外部端子電極５ａを介して外部電子回路との信号伝達を行う構造となっている。

しかしこのような固体撮像装置においては、パッケージ１の凹部９内の水分が温度変化に伴って蓋部材７表面に結露することによって、光透過性が阻害され、撮像画像に悪影響が出ることがある。また半導体素子３から発する熱が凹部９内の空気の断熱効果で蓄積されていき、半導体素子３自体が高温になり、撮像画像に悪影響が出ることがある。

このため、例えば特許文献１において、図４に示すように、パッケージ１に放熱板１０を内包し、半導体素子３を固定するための接着剤４を熱伝導率の高いものとして、たとえば銀などの金属を含有したものとして、半導体素子３を放熱板１０に対して接着することで、放熱特性と外部からの水分の侵入防止とを向上させることが提案された。図３に示す構造で、接着剤４に熱伝導率の高い銀ペーストを用い、さらにその銀ペーストにゼオライトなどの吸湿効果を持つ多孔質フィラーを添加することで、半導体素子３の熱を効率よく逃がすとともに、パッケージ１の凹部９内の水分を吸着させることも提案されている。
特開２００４−３２７５５９号公報

図４に示す固体撮像装置においては、半導体素子３で発生した熱を接着剤４に含まれる銀などの金属を通じて放熱板１０に伝達し、放熱板１０からパッケージ１に伝達するので、パッケージ１自体が放熱特性に優れることが必要である。しかし現在広く使用されているパッケージ１の主材はエポキシ樹脂であり、エポキシ樹脂の熱伝導率は小さいため、放熱対策としては不十分であり、半導体素子３の熱は外部へ放出されにくく、高温の環境で長時間使用した際に撮像画像に悪影響が出ることがあった。

図３に示す構造の固体撮像装置において、接着剤４として多孔質フィラーを添加した銀ペーストを用いる場合、高い吸湿効果を得るためには、銀ペーストを出来るだけ多く塗布する必要がある。しかしその弊害として、ペーストの塗布量、塗布厚みのバラツキによって半導体素子３の受光面の傾きが大きくなり、固体撮像装置としての光学精度が不十分になる原因となっていた。また銀ペーストの溶剤成分の中で主に低分子成分がパッケージ１表面に拡散（ブリード）し、導体５とワイヤー６との接続を阻害する不具合も発生していた。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、放熱特性および吸湿特性を向上し、高品質、高信頼性の半導体装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置は、凹状に形成され外部接続用の導体部が設けられたパッケージと、前記パッケージ内に搭載され前記導体部に電気的に接続された半導体素子と、前記パッケージの開口部を気密封止した蓋部とを有した半導体装置において、前記パッケージの材料よりも熱伝導率が高い高熱伝導部が前記半導体素子に接するように前記パッケージを貫通して設けられ、前記高熱伝導部に接続する放熱板が前記パッケージの外面に設けられていることを特徴とする。これにより、半導体素子の熱を高熱伝導部を通じて効率よく放熱板に伝え、放熱板から直接に周囲環境に逃がすことができるので、放熱特性に優れることとなる。

高熱伝導部は、パッケージに形成された貫通穴とその内部に充填された熱伝導性接着剤とにより構成されていることを特徴とする。熱伝導性接着剤によって半導体素子と放熱板とをパッケージに強固に固定できるとともに、接着剤と放熱板とによって貫通穴を塞いで密閉できる。

高熱伝導部は、パッケージの底部の半導体素子搭載領域に複数に設けられており、それぞれパッケージ内面よりも突出していることを特徴とする。高熱伝導部を支柱とした半導体素子とパッケージ内面との間に適度な間隙が形成されるので、高熱伝導部とパッケージの凹部内の空気との接触面積を確保可能である。高熱伝導部が熱伝導性接着剤で構成される場合には、その大部分は貫通穴内に存在することになるので、半導体素子搭載領域の全体あるいはほぼ全体に接着剤を配置していた従来の手法に比べて、接着剤の総量は同等であってもパッケージ内面と半導体素子との間の接着剤量を少なくすることができ、接着剤厚みおよび素子搭載面積に占める接着剤面積を少なくできることから、溶剤成分の拡散（ブリード）を抑え、電気的接続不良の発生を防止できるとともに、半導体素子の受光面の傾き精度も向上出来る。

熱伝導性接着剤は金属微粒子を含んでいることを特徴とする。熱伝導性接着剤は金属微粒子と吸湿性微粒子とを含んでいることを特徴とする。金属微粒子は効率よく熱伝導する機能を発揮し、吸湿性微粒子はパッケージの凹部内の水分を捕獲する機能を発揮することになる。

半導体素子が光素子であり、蓋部が透光性を有しているときには、上記のように放熱特性、さらには吸湿特性に優れることは特に好ましい。

本発明の半導体装置は、半導体素子の熱を高熱伝導部を通じて効率よく放熱板に伝え、放熱板から直接に周囲環境に逃がすことができるので、放熱特性に優れることとなる。高熱伝導部の材料に吸湿性微粒子を含有させておけば、パッケージの凹部内の水分を捕獲することができるので、吸湿特性にも優れることとなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の一実施形態の半導体装置の構造を示す断面図、図２は同半導体装置の製造方法を説明する工程断面図である。ここでは半導体装置は固体撮像装置であるとして説明する。

図１において、凹状のパッケージ１の基底部２に半導体素子３が固定され、固体撮像素子である半導体素子３の電極パッド部（図示せず）とパッケージ１に設けられた内部配線などの導体５とが金或いはアルミニウムなどのワイヤー６で電気的に接続され、パッケージ１上面に光学ガラス等の透明な蓋部材７が接着剤８により接着されていて、半導体素子３は、パッケージ１と蓋部材７とで構成された容器内に気密封止され、蓋部材７を通る光路が確保され、導体５の外部端子電極５ａを介して外部電子回路との信号伝達を行う構造となっている。

この固体撮像装置が先に図３、図４を用いて説明した従来のものと相違するのは、パッケージ１の材料よりも熱伝導率が高い高熱伝導部１１が半導体素子３に接続するようにパッケージ１を貫通して設けられ、高熱伝導部１１に接続する放熱板１０がパッケージ１の外面に設けられている点である。

詳細には、高熱伝導部１１は、パッケージ１の基底部２であって半導体素子３の搭載領域（以下、素子搭載領域という）に形成された複数の貫通穴１２とその内部に充填された接着剤１３とにより構成されている。接着剤１３はパッケージ１内面よりも突出しており、金属微粒子と吸湿性微粒子とを含んでいる。

かかる構造により、接着剤１３によって、半導体素子３と放熱板１０とがパッケージ１に強固に接着されるとともに、接着剤１３と放熱板１０とにより貫通穴１２が閉塞されている。また接着剤１３自体が、効率よく熱伝導する機能だけでなく、パッケージ１の凹部内の水分を捕獲する機能を発揮する。接着剤１３は支柱となって半導体素子３とパッケージ１内面との間に適度な間隙を形成しており、パッケージ１の凹部内の空気に対する接触面積は十分に確保されている。

その一方で、接着剤１３の大部分は貫通穴１２内に存在しているので、素子搭載領域の全体あるいはほぼ全体に接着剤を配置していた従来の手法に比べて、接着剤１３の総量は同等であってもパッケージ１内面と半導体素子３との間の接着剤量を少なくすることができ、接着剤３厚みおよび素子搭載面積に占める接着剤３面積を少なくできることから、その溶剤成分の拡散（ブリード）を抑え、電気的接続不良の発生を防止できるとともに、半導体素子３の受光面の傾き精度も向上出来る。

ここに例示した固体撮像装置においは、上記のように放熱特性、吸湿特性に優れることは、光透過を妨げないという点からも好ましく、半導体素子３の受光面の傾きや電気的接続不良の発生が防止されることも相俟って、高品質、高信頼性化を実現できる。

パッケージ１の材料は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビフェニール樹脂などの絶縁樹脂を主成分とする熱硬化性樹脂封止材、或いは、アルミナ粉末などを焼成し成型したセラミック材など、従来より用いられているものであってよい。

高熱伝導部１１はパッケージ１の材料よりも熱伝導率が高ければよく、それを構成する接着剤１３には、半導体素子３と放熱板１０の双方に強固な接着力を発揮するエポキシ樹脂、イミド樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂などを主材とし、熱伝導率の高い金属微粒子（たとえば銀粉末等）や、吸湿機能を発揮する微細な凹凸及び穴を表面に持った吸湿性微粒子（たとえばゼオライト等の多孔質粒子）などをフィラーとして混練した、ペースト状の接着剤、たとえば銀ペーストを使用することができる。

放熱板１０も当然ながら、パッケージ１の材料より熱伝導率が高いもの、例えば金属板、セラミック板などであって、高熱伝導部１１の設置範囲より大きいものが用いられる。
上記の固体撮像装置の製造方法を図２を参照しながら説明する。

図２（ａ）に示すように、導体部５が一体化された凹型形状のパッケージ１を形成する。
そのためにまず、導体部５を持ったインターポーザー１４を用意する。導体部５は、上述したように素子搭載領域の外周側に配列されるものであって、パッケージ１内に端部が露出する内部配線部５ｂとそれに繋がった外部端子電極５ａとを有するものである。かかるインターポーザー１４としては、リードフレームもしくは回路基盤が用いられることが一般的であり、ここでは複数のパッケージを効率的に作成できるように複数組のリード（導体部）が形成された金属製リードフレームを使用している。リードフレームの材料には主に４２アロイなどの鉄-ニッケル合金材もしくはオーリン材などの銅合金材などが用いられる。いずれも良好な電気伝導性を有し、固体撮像素子のためのインターポーザーに適した合金材料である。

このインターポーザー１４の上に、上述した熱硬化性樹脂封止材を用いて、複数のパッケージ１を一括で成形する。図示したように、形成される各々のパッケージ１は、基底部２の周縁部分に蓋部材７の接着部位となるリブ部（側壁）１５が立ち上がり、基底部２の素子搭載領域に複数の貫通穴１２が開口し、基底部２の外面部分に放熱板取付座１６が窪むものとなり、基底部２の素子搭載領域の外周側に上記の導体部５が並ぶ。放熱板取付座１６は必ずしも形成しなくともよい。

貫通穴１２は、このように樹脂成形の際に形成するのが都合よいが、樹脂成形後にドリル、パンチ穴金型などを用いて形成してもよい。また貫通穴１２は、接着剤充填の容易な円形が適しており、素子搭載領域の中央及び４隅の計５箇所、もしくは４隅のみの計４箇所など、少なくとも４箇所に配置すること、すべての穴径が同一であることが望ましい。

次に、図２（ｂ）に示すように、パッケージ１に半導体素子３を搭載する（ダイボンド工程）。この際に放熱板１０も搭載する。
そのためにまず、右側のパッケージ１に示すように、放熱板取付座１６に放熱板１０をセットし、続いて貫通穴１２に上述した接着剤１３を充填する。

放熱板１０はこのようにパッケージ１の成型後に別部材として取り付けるので、パッケージ１の形状、用途に合わせて、様々な素材、形状が選択できる。例えば、ケミカル研磨を施したＳＵＳ材等の非常に平面度の高い金属板を使用することによって、２次実装の際の基準面となるパッケージ１底面の精度を向上させたり、放熱板１０自体を上述したような金属微粒子と吸湿性微粒子とを含んだ接着剤で構成することによって、耐湿性を向上させるなど、固体撮像装置の使用環境に合わせた性能を付加することが可能となる。

接着剤１３は、各パッケージ１の全ての貫通穴１２内に放熱板１０の接着面まで隙間無く均等にかつ同時に充填されることが重要であり、複数の吐出口を設けたマルチノズル１７を使用するのが望ましい。マルチノズル１７の吐出口先端の位置は、搭載する半導体素子３の厚みや接着剤１３の粘度などに依存するが、塗布後の接着剤１３の高さがパッケージ１の内底面から０．1ｍｍ程度になるように設定するとよい。接着剤１３をこのように貫通穴１２内に隙間無く充填することにより、半導体素子３からの熱を効率よく放熱板１０へと導く経路を確保するとともに、基底部２での広がり面積を最小にしながら結露防止に十分な接着剤量とすることが可能となる。

続いて、左側のパッケージ１に示すように、半導体素子３を素子搭載領域に配置して接着剤１３上に載せる。
このとき、半導体素子３の裏面とパッケージ１の内面との間に０．０３ｍｍ〜０．０５ｍｍ程度の隙間を設けることが望ましい。このような隙間を確保することにより、接着剤１３の広がりを抑制できるとともに、パッケージ１内の空気が接着剤１３に接触する接触面積、したがって多孔質フィラーに対する接触面積を確保することが可能となる。半導体素子３の搭載後に、接着剤１３を硬化させるための加熱処理を行う。

次に、図２（ｃ）に示すように、搭載した半導体素子３の電極パッド部３ａとパッケージ１の内部配線部５ｂとをワイヤー６を用いて電気的に接続する（ワイヤーボンディング工程）。

ワイヤー６としては、アルミニウム、金などの電気伝導性に優れる金属細線を用いる。アルミニウム細線を用いる場合は、ウェッジボンディング法と呼ばれる超音波と荷重とを掛ける手法で接続し、金細線を用いる場合は、ボールボンディング法と呼ばれる超音波と荷重と熱とを掛ける手法で接続する。いずれの手法でも、図示したようにキャピラリー１８を用いてワイヤー６の繰り出しと接合を行う。

次に、図２（ｄ）に示すようにパッケージ１を蓋部材７で密閉封止する（封着工程）。
そのためにまず、パッケージ１のリブ部１５の上面に接着剤８を塗布する。かかる接着剤８の塗布には、図示したようにディスペンサー１９を用いる描画法が、必要な範囲に必要量だけ塗布できることから、主流になっている。接着剤８としては、紫外線照射にて硬化する光硬化型の接着剤の使用が一般的であるが、熱硬化型の接着剤を用いる場合もある。いずれもエポキシ樹脂、アクリル樹脂などを主材とする樹脂接着剤である。接着剤８の塗布層は、蓋部材７に均等に接し且つ界面に気泡及び未充填部分が発生しないように、相当の放置期間を設けるか、蓋部材７上から加重を掛けることで、適正に広げることが重要である。

続いて、接着剤８の硬化処理を行って、パッケージ１と蓋部材７とで構成される容器の密封構造を構築する。硬化処理は、使用した接着剤８の種類によって異なるが、アクリル系の光硬化型接着剤である場合には紫外線照射、エポキシ系の熱硬化型接着剤である場合にはベーキング等の加熱処理を行う。

最後に、図２（ｅ）に示すように、インターポーザー１４をパッケージ１どうしの間の連結部２０で切断して、個片の固体撮像装置を得る（パッケージ個片化工程）。切断には、リードカット金型、ダイシングソー等の切断設備２１を用いる。

以上の実施形態では、熱硬化性樹脂とリードフレームとを用いて複数のパッケージ１を一括で作成し、それぞれに半導体素子３を搭載してから個片に分割する方法を説明したが、はじめから個片のパッケージを作成してもよいし、樹脂に代えてセラミック材を用いてもよい。また半導体素子３の電気的接続をワイヤーボンディングにて行ったがフリップチップボンディングを行ってもよい。高熱伝導部１１をビアと同様にして形成してもよい。

いずれにしても、パッケージ１の基底部２を貫通する高熱伝導部１１を設け、その高熱伝導部１１に接続する放熱板１０をパッケージ１外面に露出して設けることにより、特に高熱伝導部１１を銀ペースト等の接着剤１３で構成することにより、良好な放熱特性、吸湿特性、光学精度を得ることが可能となる。

本発明の半導体装置は、固体撮像装置など、中空構造を持つ半導体装置の品質向上に有用である。

本発明の一実施形態の半導体装置の断面図 図１の半導体装置の製造方法を説明する工程断面図 従来の半導体装置の構成を示す断面図および平面図 従来の他の半導体装置の断面図

符号の説明

１ パッケージ
２ 基底部
３ 半導体素子
５ 導体部
７ 蓋部材
10 放熱板
11 高熱伝導部
12 貫通穴
13 熱伝導性接着剤

Claims (6)

1. 凹状に形成され外部接続用の導体部が設けられたパッケージと、前記パッケージ内に搭載され前記導体部に電気的に接続された半導体素子と、前記パッケージの開口部を気密封止した蓋部とを有した半導体装置において、前記パッケージの材料よりも熱伝導率が高い高熱伝導部が前記半導体素子に接するように前記パッケージを貫通して設けられ、前記高熱伝導部に接続する放熱板が前記パッケージの外面に設けられた半導体装置。
2. 高熱伝導部は、パッケージに形成された貫通穴とその内部に充填された熱伝導性接着剤とにより構成されている請求項１記載の半導体装置。
3. 高熱伝導部は、パッケージの底部の半導体素子搭載領域に複数に設けられており、それぞれパッケージ内面よりも突出している請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体装置。
4. 熱伝導性接着剤は金属微粒子を含んでいる請求項２記載の半導体装置。
5. 熱伝導性接着剤は金属微粒子と吸湿性微粒子とを含んでいる請求項２記載の半導体装置。
6. 半導体素子は光素子であり、蓋部は透光性を有している請求項１記載の半導体装置。

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